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          液体石油物料仿实流校准系统研究及应用

          来源: 中国石油 抚顺石化公司 作者:汪楚尧 发布日期:2020-10-10

           摘 要: 液体石油物料测量分布于石油勘探、加工、运输、销售过程中的各个环节,是石油化工企业成本核算、原料互供、商务结算的重要手段。在企业生产经营过程中,通常使用各样各式的流量计,来开展液体石油物料流量测量,进而获取交接数据。流量计在长时间工作负荷下,经常会发生超差现象,此时就要进行量值溯源,因为受到工艺流程、环境条件、设备性能、实验方法不同的影响,校准的结果也会存在很大差别。本文介绍了如何建立科学有效的仿实流校准系统,来保证流量测量的准确性、可靠性、稳定性。mEd金属管浮子流量计_金属转子流量计_玻璃管转子流量计 - 淮安市三畅仪表有限公司

           
          液体石油物料实流校准,是石油化工行业在测量领域中不可或缺的一项量值保障举措。只有量值得到保障,才能凭数据指挥生产、监控工艺、完成生产任务,实现经营收益。
           
          使用流量计对液体石油物料流量进行测量,是当前石油化工行业惯用做法。流量即单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量,它与生产加工数据是否准确、可靠有着密切的关系。而如何保证流量计测量值准确、可靠及找寻测量值与被测真值之间的关系,则是本文主要探讨的一项课题。
           
          流量计是我国依法规定被列入实施强制管理范畴内的计量器具,企业在使用过程中,若要保证流量计数值准确可靠,就必须要依据法规技术文件支持的实验方法,科学合理地开展测量结果评价。校准是能够对流量计测量结果进行全面判定、验证的一种实验方法,校准即确定由测量标准提供的量值与相应示值之间的关系,也是国际互认的一种必要举措[1]。本文针对液体石油物料仿实流校准系统的设计目标与预期效果,提出基本思路,建立了科学应用方法。
           
          1 校准方法比较
          1.1 动态法
          动态法通常可以分为两类:一是以标准体积管作为主标准器的体积管法流量校准法,二是以标准流量计作为主标准器的称量法流量校准法[2]。
           
          1.1.1 原理分析
          以标准体积管作为主标准器的体积管法流量校准法,是利用内径均匀的一段不锈钢管材作为标准量器,管内放入与实流液体共同运行的球体或活塞,对球体或活塞在两个检测开关之间运动的时间进行测量。因为两个检测开关之间不锈钢管材的容积已经标定,其体积为已知,所以将体积管测量值与被测流量计比较计算,得出校准结果。以标准流量计作为主标准器的比较法流量校准法,是利用准确度等级较高的流量计作为标准器与被测流量计串联,在实流液体通过标准器与被测流量计期间,利用流量计输出信号建立流量曲线,按照时间节点对流量曲线进行切割,保证两台流量计的曲线在同时间段内进行比较,得出校准结果。
           
          1.1.2 方法比较与选择
          将两种动态法的特点进行比较,以此选择适合实流校准非常优的一种动态校准方法。
           
          从表 1 中可见,相对于标准体积管法,校准流量计法在动态法中的准确度、适应性、构造性更优,因此,选择以标准流量计作为主标准器的比较法流量校准法作为动态法实流校准。
          动态法特点对比表
           
          1.2 静态法
          静态法通常可以分为两类:一是以标准量器作为主标准器的容积法流量校准法,二是以标准秤作为主标准器的称量法流量校准方法[2]。
          1.2.1 建立原理
          以标准量器作为主标准器的容积法流量校准法,是将实流液体经被测流量计后,进入标准量器,测量在设计时间段内流入测量流量计与标准量器的体积,将两种测量值进行比较,得出校准结果。以标准秤作为主标准器的称量法流量校准法, 是将实流液体经被测流量计后,进入标准秤,测量在设计时间段内流入测量流量计与标准秤的体积,将两种测量值进行比较,得出校准结果。
          1.2.2 方法比较与选择
          将两种静态法的特点进行比较,以此选择适合实流校准非常优的一种静态校准方法。从表 2 中可见,相对于标准量器法,标准秤法在静态法中的准确度、适应性、构造性更优,因此,选择以标准秤作为主标准器的称量法流量校准法作为静态法实流校准。
          静态法特点对比表
          2 校准系统建立
          2.1 校准目标确定
          通过实流校准,根据使用需要,来测试流量计量程的 5%、10%、20%、25%、30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%流量数据情况(如有生产特定需要,也可以指定量程的百分比)。通过改变测量条件,包括温度(每个调整间隔为 5 ℃)、压力(每个调整间隔为 0.05 MPa)、实流密度(每个调整间隔为 10 kg·m-3)、两相流体(每个调整间隔为 5%的气体、1%的固体),依据标准器来校准被测试流量计的误差值、重复性、不确定度以及改变测量条件后的数据偏差值,进而达到仿实流校准目的。
           
          2.2 环境与特性
          2.2.1 校准环境
          流量系统在不同的环境条件下使用,会展现出不同的运行特性。具体包括:气候环境(温度、湿 度、气压、沙尘、雨雪、辐射源)、机械环境(振动、冲击、碰撞、摩擦)、干扰环境(电磁、脉冲、电源)、安全环境(防爆、防水、静电)。在建立校准系统的同时,应提前做好以上各种环境的保证与控制,可控的操作环境可以用来建立流量系统的工况数据库,不可控的操作环境尽可能屏蔽掉,或者保持在一个稳定的状态。
           
          2.2.2 流体特性
          从微观分子状态看,实践中流体不是均匀连续的,从物理、化学性质看讲,每种聚集状态内部的均匀部分为相,当一个相内部达到平衡时,这个相的物理、化学性质就是均匀一致的。流体在实践与校准过程中,有可能会出现相变过程,如管道流体压力过低时,容易出现空蚀现象,而由此产生的数据偏差是需要考虑的。
           
          2.3 系统设计
          仿实流校准系统总体由以下几部分构成:实流源(液态石油物料、机泵、贮存池、稳压容器、变频调节等设备组成)、数据采集控制系统(由工业控制微机、数据采集与过程控制站、输出等设备组成)、标准器(标准流量计、标准秤)、试验管道及流量调节系统(变频调整系统、稳压容器、消气过滤器等设备组成)。校准原理为静态称重法+动态标准流量计法。
          仿实流校准系统结构图
          2.3.1 工艺管径分布
          校准系统的流量跨度较大,为了保证因地制宜地对不同区间的流量进行科学合理的校准,考虑操作实际情况,该校准系统设计了 9 条工艺管径不同的校准线路,这样可以保证在校准系统量程范围内,完成每个区间的流量校准工作任务。
           
          2.3.2 技术指标
          1) 标准流量计准确度等级为 0.05/0.1。 2) 标准秤扩展不确定度 0.02%(k=2),检定分度值优于 1/6 000。 3) 压力变送器测量准确度等级 0.05%,测量范围 0~1.0 MPa。 4) 温度变送器测量准确度等级为 0.1 级,测量范围 0~50 ℃。 5) 计时器的晶振采用温被晶振,其 8 h 的晶振稳定度≤1×10-6。计时器非常小读数优于 0.000 1 s (液体流入称重容器的时间通常用内部带有一个石英晶体电子计数器来测量,计时器应由换向器本身的运动通过固定在换向器上的开关来驱动[3])。 6) 系统压力波动≤0.2%。 7) 流体稳定性:0.2%。 8) 换向时间差≤10 ms(系统换向器的正反行程差可以通过自身附带的光电检出装置自动测出,便于测试者校准换向器的正反行程差,同时也考虑在需要高精度计量时,精确测量出换入和换出的时间差,补偿因换向器的换入和换出时间差带来的附加误差)。 9) 校准量程 0~1 500 m³·h-1。10) 校准系统总不确定度:动态法系统扩展不确定度(k=2), 0.3%;静态法系统扩展不确定度(k=2),0.05%(动态法与静态法校准系统不确定度的高低取决于所使用标准器的准确度等级,这是由标准器特性所决定的)。
           
          2.3.3 校准能力
          可开展校准的流量计包括(DN15 至 DN300 之间):质量流量计、涡轮流量计涡街流量计超声流量计电磁流量计、差压式流量计、冷水水表等。通讯信号包括:脉冲信号、电流信号、电压信号、频率、数字通讯。校准参数主要包括流量计 MF 系 数、K 系数等[4]。
           
          2.3.4 实流校准
          企业测量的非常终目的,是为了得到被测量液体石油物料的实际流量,待校流量计与标准器处于实流下的同等使用条件进行校准,避免了因油品的温度、黏度、压力等差异而造成的误差[5]。
           
          2.3.5 控制方式
          控制系统以工业计算机进行人机对话控制,完成对现场泵、变频器、阀门、标准器等设备的实时控制、数据采集、远程操作等功能,实现控制和数据处理的自动化。系统校准控制与动力控制独立,在校准界面设有紧急停车键,保证设备及人员安全。
          管径与流量对照表
          3 实践应用
          3.1 以标准流量计作为主标准器的比较法应用
          液体石油物料在油轮装卸、不间断式管线输送过程中,长时间的高强度、高负荷运行加上工艺环境改变,流量测量难免会出现偏差,这时如果采用传统标准秤法,标准秤无法满足长时间大流量累积值的测量,主要缺点是称量容器与标准秤的量程是在校准系统建设初期确定的,一旦投入使用,累积量程会受容器装载限制,无法超限使用。因此,推 荐使用标准流量计法,主要优点是,标准流量计在对待校流量计进行校准时,管道液体实流不需要停止,且不需要进入固定容器进行称量,而是与工艺流程同步运行,校准时效性较为灵活,周期也较长,可以根据校准时间,非常大限度对流量计的各类参数进行测量、分析、校对、调试。
           
          3.2 以标准秤作为主标准器的称量法应用
          液体石油物料在汽槽装卸、火槽装卸、间歇式管线输送时,推荐采用标准秤法进行标准。主要优点是,流量常用值(0~1 500 m-3·h-1)均在传统标准秤法(DN15-300)设计量程内,可以满足日常小容量装载各测量区间需求。其次,准确度等级相对标准流量计法要更高(动态法系统扩展不确定度 k=2,0.3%;静态法系统扩展不确定度 k=2,0.05%。),因此在商务交接使用时,优势更为明显,既能够非常大限度提升计量准确度,保证效益不流失,又满足客户足量需求。当然,标准流量计法也可以应用于此类校准,只是相对于标准秤法而言,准确度等级相对要低,校准结果不如前者更加理想。
           
          3.3 两种方法相结合应用
          随着信息化时代的到来,大多数石油化工企业在对液体石油物料的流量测量管理上给予高度期望,对大数据化、时效化、高标准化的需求越来越强烈,相对于使用传统、单一的校准方式已经无法胜任日益苛刻的校准任务及工作需要。在这类企业中,既有港口贸易的大流量校准需求,又有零付散装的小流量校准需求,更有多种工艺状态流量测量分析需求。因此,本文以校准系统之间的优势互补、相互比对、计量监督为出发点,将以标准流量计作为主标准器的比较法与以标准秤作为主标准器的称量法,进行组合处理,来建立液体石油物料仿实流校准系统,以实现多工况、多任务、高标准的校准工作目标。 
           
          4 结束语
          国际计量组织提出校准流量系统的准确度应比待校流量计的准确度高 5 倍以上,即应优于被校流量计基本误差的 1/5。我国计量组织提出流量标准系统的准确度应比待校流量计的准确度高 3 倍以上,即系统的质量流量扩展不确定度应不大于流量计非常大允许误差值的 1/3[6]。通过大量实验数据证明,这些流量设施按照误差传递公式认定对校准后流量计示值影响程度较小。目前国内石油化工企业在对液体石油物料进行仿实流校准实验时,正如本 文开篇所提到的校准方法,这 4 种方法均满足实验理论要求,但是基于各种校准方法之间的优缺比较与实践研究,可以筛选出准确性、适应性、时效性非常优的校准方法,并可以通过组合系统建标的方式, 来提升企业校准管理的工作标准。

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